INDICE Capítulo 1. Variables del Circuito Eléctrico Capítulo 2. Elementos de Circuitos Capítulo 3. Circuitos Resistivos

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1 INDICE Capítulo 1. Variables del Circuito Eléctrico 1 Introducción Reto de diseño: Controlador de una válvula para tobera Albores de la ciencia eléctrica Circuitos eléctricos y flujo de corriente Sistemas de unidades Voltaje Potencia y energía Vóltmetros y ampémetros Análisis y diseño de circuitos Ejemplo de verificación Solución al reto de diseño: Controlador de una válvula para tobera Resumen 25 Problemas 25 Capítulo 2. Elementos de Circuitos 29 Introducción Reto de diseño. Sensor de temperatura Thomas A. Edison: el primer ingeniero eléctrico Ingeniería y modelos lineales Elementos de circuito activos y pasivos Resistores Fuentes independientes Vóltmetros y ampérmetros Fuentes dependientes Transductores Interruptores Ejemplo de verificación Solución al reto de diseño: sensor de temperatura Resumen 58 Problemas 58 Problemas de verificación 63 Problemas de diseño 64 Capítulo 3. Circuitos Resistivos 65 Introducción Reto de diseño. Fuente de voltaje variable Aplicaciones de circuitos eléctricos Leyes de Kirchhoff Circuito de una sola malla. El divisor de voltaje Resistores en paralelo y división de corriente Fuentes de voltaje en serie y fuentes de corriente en paralelo Análisis de circuitos Análisis de circuitos resistivos con MATLAB Ejemplo de verificación 90

2 3.10. Solución al reto de diseño: Fuente de voltaje variable Ejemplo de diseño de voltaje Resumen 95 Problemas 97 Problemas de verificación 103 Problemas de diseño 104 Capítulo 4. Métodos de Análisis de los Circuitos Resistivos 105 Introducción Reto de diseño: Indicación del ángulo de un potenciómetro Circuitos eléctricos para comunicaciones Análisis del voltaje de nodo en circuitos con fuentes de corriente Análisis por voltaje de nodo en circuitos con fuentes de corriente y 115 voltaje 4.5. Análisis por voltaje de nodo con fuentes dependientes Análisis por corriente de malla con fuentes de voltaje independientes Análisis por corriente de malla con fuentes de corriente Comparación entre el método de voltaje de nodo y el de corriente de 131 malla 4.9. Análisis en cd con PSpice Análisis e cd con MATLAB Ejemplos de verificación Solución al reto de diseño. Indicación del ángulo de un potenciómetro Resumen 142 Problemas 143 Problemas para PSpice 148 Problemas de verificación 149 Problemas de diseño 150 Circuitos 5. Teoremas de los Circuitos 151 Introducción Reto de diseño: Puente para un sensor de deformación Energía eléctrica para las ciudades Trasformaciones de fuentes Superposición Teorema de Thévenin Circuitos equivalentes de Norton Máxima transferencia de potencia Otros usos de PSpice para análisis de cd Uso de MATLAB para determinar el circuito equivalente de Thévenin Ejemplo de verificación Solución al reto de diseño: Puente para un sensor de deformación Resumen 189 Problemas 190 Problemas para PSpice 195 Problemas de verificación 196 Problemas de diseño 196

3 Capítulo 6. Amplificador Operacional 199 Introducción Reto de diseño: Circuito de interfaz para un transductor Electrónica Amplificador operacional ideal Amplificador operacional ideal Análisis de nodos de circuitos con amplificadores operacionales ideales Diseño con amplificadores operacionales Características del amplificador operacional práctico Amplificador operacional y PSpice Análisis de circuitos con amplificadores operacional usando MATLAB Ejemplo de verificación Solución al reto de diseño; circuito de interfaz para un transductor Resumen 237 Problemas 237 Problemas para PSpice 244 Problemas de verificación 245 Problemas de diseño 246 Capítulo 7. Elementos que Almacenan Energía 249 Introducción Reto de diseño: integrales e interruptor Dispositivos que almacenan energía eléctrica Capacitores Almacenamiento de energía en un capacitor Capacitores en serie y en paralelo Inductores Almacenamiento de energía en un inductor Inductores en serie y en paralelo Condiciones iniciales de circuitos conmutados Amplificador operacional y circuitos RC Uso de MATLAB para graficar el voltaje y la corriente en capacitores e 283 inductores Ejemplo de verificación Solución al reto de diseño: integrador e interruptor Resumen 289 Problemas 289 Problemas de verificación 296 Problemas de diseño 296 Capítulo 8. Respuesta Completa de los Circuitos RL y RC 297 Introducción Reto de diseño: Una computadora e impresora Señales y comunicaciones La respuesta de un circuito de primer orden a una entrada constante Conmutación secuencial Estabilidad de los circuitos de primer orden 321

4 8.6. La fuente escalón unitario La respuesta de un circuitos de primer orden a una fuente no constante Operadores diferenciales La respuesta completa usando PSpice Ejemplos de verificación Solución al reto de diseño: una computadora e impresora Resumen 344 Problemas 346 Problemas para PSpice 354 Problemas de verificación 354 Problemas de diseño 355 Capítulo 9. Respuesta Completa de Circuitos con Dos Elementos que 357 Almacenan Energía Introducción Reto de diseño: Disparador de bolsa de aire Sistemas de comunicaciones y de potencia Ecuación diferencial para circuitos con dos elementos que almacenan 360 energía 9.4. Solución de la ecuación diferencial de segundo orden: Respuesta 365 natural 9.5. Respuesta natural del circuito RLC en paralelo, sin excitación Respuesta natural del circuito RLC en paralelo, críticamente 371 amortiguado y sin excitación 9.7. Respuesta natural de un circuito RLC en paralelo, subamortiguado y 373 sin excitación 9.8. Respuesta forzada de un circuito RLC Respuesta completa de un circuito RLC Método de las variables de estado en el análisis de circuitos Raíces en el plano complejo Análisis PSpice del circuito RLC Ejemplo de verificación Solución al reto de diseño: Disparador de bolsa de aire Resumen 397 Problemas 398 Problemas para PSpice 403 Problemas de verificación 404 Problemas de diseño 405 Capítulo 10. Análisis Senoidal en Estado Estable 407 Introducción Reto de diseño: Circuito con amplificador operacional La corriente alteña se estandariza Fuente senoidales Respuesta en estado estable de un circuito RL a una función forzante Función de excitación exponencial compleja El concepto de fasor 419

5 10.7. Relaciones fasoriales para los elementos R, L y C Impedancia y admitancia Leyes de Kirchhoff usando fasores Análisis de nodo y de la corriente de malla usando fasores Superposición, equivalentes de Thévenin y Norton y 442 transformaciones de fuentes Diagramas fasoriales Análisis senoidal en estado estable empleando PSpice Circuitos fasoriales y el amplificador operacional Uso de MATLAB para el análisis de circuito en estado estable con 453 entradas senoidales Ejemplos de verificación Solución al reto de diseño: Circuito con amplificador operacional Resumen 460 Problemas 460 Problemas para PSpice 468 Problemas de verificación 469 Problemas de diseño 470 Capítulo 11. Potencia de ca de Estado Estable 471 Introducción Reto de diseño: Transferencia máxima de potencia Potencia eléctrica Potencia instantánea y potencia promedio Valor efectivo de una forma de onda periódica Potencia compleja Factor de potencia El principio de superposición de potencia El teorema de transferencia máxima de potencia Inductores acoplados El transformador ideal Análisis de circuitos con transformadores utilizando PSpice Ejemplo de verificación Solución al reto de diseño: Transferencia máxima de potencia Resumen 517 Problemas 519 Problemas para PSpice 528 Problemas de verificación 529 Problemas de diseño 529 Capítulo 12. Circuitos Trifásicos 531 Circuitos Trifásico 531 Introducción Reto de diseño: Corrección del factor de potencia Tesla y los circuitos polifásicos Voltajes trifásicos El circuito Y a Y 537

6 12.5. Conexión en A de la fuente y la carga El circuito Y a A Circuitos trifásicos balanceados Potencia instantánea y promedio en una carga trifásica balanceada Medición de potencia con dos wáttmetros El circuito trifásico balanceado y PSpice Ejemplos de verificación Solución al reto de diseño: Corrección del factor de potencia Resumen 654 Problemas 564 Problemas para PSpice 568 Problemas de verificación 568 Problemas de diseño 568 Capítulo 13. Respuesta en Frecuencia 569 Introducción Reto del diseño: Sintonizador de radio Sistemas de comunicaciones electrónicas Ganancia, desplazamiento de fase y la función de red Diagrama de Bode Circuitos resonantes Respuesta en frecuencia de circuitos con amplificadores 602 operacionales Respuesta en frecuencia utilizando PSpice Graficación de diagramas de Bode utilizando MATLAB Ejemplos de verificación Solución al reto de diseño: Sintonizador de radio Resumen 615 Problemas 615 Problemas para PSpice 622 Problemas de verificación 623 Problemas de diseño 623 Capítulo 14. La Transformada de Laplace 625 Introducción Reto de diseño: Compuerta de carga de un transbordador espacial Comunicaciones y automatización Transformada de Laplace La función impulso y la propiedad de traslación en el tiempo Transformada inversa de Laplace Teoremas del valor inicial y final Solución de las ecuaciones diferenciales que describen un circuito Análisis de circuitos utilizando la impedancia y las condiciones 649 iniciales Función de transferencia e impedancia Teorema de convolución Estabilidad 661

7 Desarrollo en fracciones parciales utilizando MATLAB Ejemplos de verificación Solución al reto de diseño: Compuerta de carga de un transbordador 667 espacial Resumen 670 Problemas 671 Problemas para PSpice 677 Problemas de verificación 678 Problemas de diseño 679 Capítulo 15. Serie de Fourier y Transformada de Fourier 681 Introducción Reto de diseño: Fuente de poder de corriente directa Canales de comunicación La serie de Fourier Simetría de la función f(t) Forma exponencial de la serie de Fourier El espectro de Fourier La serie de Fourier truncada Circuitos y la serie de Fourier La transformada de Fourier Propiedades de la transformada de Fourier El espectro de las señales La convolución y la respuesta del circuito La transformada de Fourier y la transformada de Laplace La serie de Fourier de una onda utilizando PSpice Ejemplo de verificación Solución al reto de diseño: Fuente de poder de corriente directa Resumen 721 Problemas 722 Problemas para PSpice 726 Problemas de verificación 727 Problemas de diseño 727 Capítulo 16. Circuito de Filtro 729 Introducción Reto de diseño: Filtro antialias El filtro eléctrico Filtros Filtros de segunda orden Filtros de orden superior Simulación de circuitos de filtro utilizando PSpice Ejemplos de verificación Solución al reto de diseño. Filtro antialias Resumen 761 Problemas 761 Problemas para PSpice 767

8 Problemas de verificación 769 Problemas de diseño 770 Capítulo 17. Redes de Dos y Tres Puertos 771 Introducción Reto de diseño: amplificador transistorizado Amplificadores y filtros Redes de dos puertos Transformación T a TT y redes de dos puertos con tres terminales Ecuaciones de las redes de dos puertos Parámetros Z y Y de un circuito con fuente dependientes Parámetros híbridos y de transmisión Relaciones entre parámetros de dos puertos Interconexión de redes de dos puertos Uso de PSpice para calcular los parámetros de dos puertos Ejemplo de verificación Solución al reto de diseño: Amplificador transistorizado Resumen 795 Problemas 795 Problemas para PSpice 799 Problemas de verificación 799 Problemas de diseño 800 Apéndice Apéndice A. Matrices, determinantes y la Regla de Cramer 801 Apéndice B. Números complejos 806 Apéndice C. Fórmulas trigonométricas 810 Apéndice D. Fórmula de Euler 811 Apéndice E. Código estándar de colores en resistores 812 Apéndice F. Análisis asistido por computadora: PSpice 814 Apéndice G. Análisis asistido por computadora: DESIGNLABMR 846 Referencias 856 Índice 859